一种具有微流体通道的水凝胶的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有微流体通道的水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在基板上放置目标图案的硅基微结构膜，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和固化剂按照10:1的质量比混合均匀，并且将溶液倒在所述基板上，在100℃下固化1小时取出后室温冷却，待冷却后将硅基与PDMS模板分开，得到目标图案的PDMS微流体通道模板；(2)将步骤(1)中的所述PDMS微流体通道模板键合在载玻片上，制备明胶水凝胶牺牲模板；以及(3)制备聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。本发明所提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法能够快速制备出具有目标图案的微流体通道的水凝胶，且工业制造成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及水凝胶制备技术领域，尤其涉及一种具有微流体通道的水凝胶的制备方法。

背景技术

微流控芯片又称芯片实验室(Lab on a chip)，是20世纪90年代从分析化学领域发展起来的。它是微机电加工技术(MEMS)的一个典型应用，以微管道网络作为结构特征，以微流体为核心，能实现生物或者化学领域所涉及的样品纯化、反应、萃取、分离和检测等一系列功能的实验装置，从而实现样品从预处理到检测的整体微型化、集成化、自动化和便携化。微流控芯片根据其所用制作材料的不同可以分为玻璃芯片、硅芯片、石英芯片、聚合物芯片和复合材料芯片等。其中，聚合物材料凭借其种类多、成本低、易加工以及透光性好等优点，逐渐进入了微流控芯片领域。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)作为一种聚合物材料，透光性能好，对波长300nm以上的紫外光有良好的通透性，加工成型容易，无毒且操作方便，可逆和重复变形而不产生永久损坏，在微流控芯片领域逐渐得到了广泛的应用。

聚合物材料的微通道制作方法种类繁多，主要有模塑法、软光刻法、热压法、LIGA法和激光烧蚀法等。模塑法是将聚合物的预聚物直接浇注在带有微结构的模具上，固化成型后剥离得到带有微结构的聚合物芯片的聚合物成型方法。旋涂过程中，将聚合物倒在真空卡盘固定的基板上，通过设置时间和转速获得理想厚度的聚合物膜。该法的聚合物材料以PDMS和PMMA最为常见。模具可以是硅阳模、SU-8正胶或负胶，也可以是玻璃阳模。该法制作的阳模结构可以达到较高的深宽比，且结构侧壁与基体表面垂直。

水凝胶是一类含有亲水基团能在水中溶胀而不溶解的具有三维网络结构的新型功能高分子材料。由于其具有很高的吸水能力，能够吸收自身几十倍至几千倍的水，因而作为一种吸水或保水材料广泛应用于工农业和医学等领域。通过对其进行改性，得到能对外界环境的刺激(如温度、pH值、电场、溶剂性质、光强、压力等)做出一定响应的智能功能化水凝胶，其独特的响应性和生物相容性使其在药物控制释放、组织工程、活性酶的固定、生物传感器、生物反应器、人工智能材料等方面具有广阔的应用前景。按照合成水凝胶的高分子来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类(淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸和壳聚糖等)和多肽类(胶原、聚L-赖氨酸和聚L-谷胺酸等)。合成的亲水高分子包括醇、丙烯酸及其衍生物类(聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酰胺和聚N-聚代丙烯酰胺等)。按照交联方式可以分为化学交联和物理交联两种。化学交联制备水凝胶是通过共价键形成的三维交联网络，可以由自由基共聚合、辐射聚合、水溶性高分子的交联、聚合物互穿网络等方法实现。物理交联是通过聚合物间的链缠绕、范德华力、静电作用、氢键作用及疏水缔合作用等非共价键形成的交联网络。

通过不同的制孔工艺可以按照需要获得不同孔径大小及分布的多孔水凝胶，多孔水凝胶常被用作生物组织支架，或类血管材料用于医药行业。总的来说，为使细胞能够健康生长，血管宽度应达到100～200μm以达到氧气和营养物质的有效传递。使用传统方式制备的多孔水凝胶孔径大小和分布都很难做到良好的均匀性和重复性，为制备精确结构的多孔水凝胶材料，以及加快药物输送的速度，借助微流体芯片的制备和光刻技术等，可以制备出孔径形状和大小可控的水凝胶。

现有的水凝胶制备方法如下：

首先，用旋涂的方法制备PDMS微流体结构，在此设计出水凝胶通道的形状，即孔径大小和分布图案。具体过程如下：在真空干燥箱的卡盘基板上放置目标结构的硅基微结构膜，将PDMS预聚物和固化剂按照10：1的质量比混合均匀，因为搅拌时会产生大量气泡，所以必须先置于真空干燥箱中抽真空，以去除溶液中的气泡。待溶液中的气泡完全去除后，将其倒在通过真空卡盘固定的基板上。在100℃下固化1小时，取出后室温冷却，待冷却后将硅基与PDMS模板分开，得到目标图案的PDMS微流体通道。在通道两端打两个孔，直径约为5mm，用于灌注液的流入和流出，便于重复使用。可在PBMS模板的两个孔上连接一段PE-50聚乙烯细管，以便重复使用。

接着，将制备出的PDMS微流体通道图案键合在玻璃基底上，在PDMS上打两个孔，直径约为5mm，用于液体的流入和流出，便于多次重复灌注实验。使用1～6％PF127溶液(溶解在PBS溶液中)洗涤内部结构，以防止粘附水凝胶。在45℃配制10％明胶溶液(A型，来源于猪皮，溶解在PBS溶液中)，降温至4℃放置15分钟以上成胶。材料加热至23～25℃放置0.5～2小时，在1％的BSA溶液中脱模。

在注入胶原蛋白交联前驱体溶液之前，将其内部用1％的BSA溶液冲洗一遍。将胶原(Ⅰ型，6–8mg·mL-1，来自于大鼠尾)使用10×PBS溶解在水中，其中加入NaHCO₃和NaOH浓度分别为7.5％和0.2M；或者使用基质胶(10mg·mL-1)和纤维连接蛋白(配制成溶度为50mg·mL-1，加入凝血酶浓度为3.4U·mL-1)。室温放置1小时形成胶原蛋白水凝胶，加热至37℃溶解明胶水凝胶模板。通过注入PBS溶液或1％BSA溶液冲洗PDMS微流体通道以备重复使用。为便于多次使用，可在PBMS模板的两个孔上连接一段PE-50聚乙烯细管。这种方法制备得到的水凝胶微流体通道的直径可达到6μm左右。

然后，以上水凝胶制备方法的缺点在于：胶原蛋白价格高，不易储存的特点，在很多条件下不必达到十分充分的仿生条件，并且制备PDMS微流体通道的条件要求较高，成本贵，耗时长。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出一种改进的具有微流体通道的水凝胶的制备方法，包括以下步骤：具有微流体通道的水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在基板上放置目标图案的硅基微结构膜，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和固化剂按照10:1的质量比混合均匀，并且将溶液倒在所述基板上，在100℃下固化1小时取出后室温冷却，待冷却后将硅基与PDMS模板分开，得到目标图案的PDMS微流体通道模板；(2)将步骤(1)中的所述PDMS微流体通道模板键合在载玻片上，制备明胶水凝胶牺牲模板；以及(3)制备聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。

优选地，步骤(1)还包括：在所述PBMS微流体通道的两端打两个孔，直径为5毫米，用于灌注液的流入和流出，并且在所述PBMS微流体通道的两个孔上连接PE-50聚乙烯细管。

优选地，步骤(2)还包括：使用45℃的10×PBS溶液和去离子水配制10w/v％明胶溶液，降温至2～7℃，放置15分钟成胶，加热至23～25℃静置0.5～2小时，在1％BSA溶液中脱模。

优选地，步骤(3)还包括：将0.5g丙烯酰胺(AM)溶解在4mL PBS溶液中，加入1mL N,N’-亚甲基双丙烯酰胺水溶液(MBA,0.25mg/mL)和1.5mg过硫酸铵(KPS)，使用氮气脱气，加入10μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)，取下PDMS模板，浇注该单体溶液或将单体溶液注入模板中，密封在室温下保持20小时成胶，其加热至37℃融化明胶水凝胶，用PBS溶液冲洗干净，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。

优选地，步骤(3)还包括：除了使用聚丙烯酰胺水凝胶，还采用紫外光交联的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶。

优选地，步骤(3)还包括：配制20～30w/v％PEGDA的PBS溶液，对应每克PEGDA加入30μL引发剂，混合均匀，浇注该单体溶液或将单体溶液注入模板中，使用紫外灯管在1厘米处照射1分钟，得到PEGDA水凝胶，加热至37℃融化明胶水凝胶，用PBS溶液冲洗干净，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。

优选地，紫外灯管为365nm的8W紫外灯管。

本发明还提供一种具有微流体通道的水凝胶的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)采用金手指胶带得到多层胶带模板，在多层金手指胶带上刻出目标微流体通道的图案，结合打孔器制备PDMS微流体通道模板；(2)将步骤(1)中的所述PDMS微流体通道模板键合在载玻片上，制备明胶水凝胶牺牲模板；以及(3)制备聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。

优选地，步骤(1)中的微流体通道宽度为130μm，打孔后将金手指胶带撕下，平整地贴在载玻片上，裁出直线形状的微通道，通道高度由金手指胶带的层数决定，每层胶带的厚度为50～60μm。

优选地，步骤(2)包括：在所述PDMS微流体通道模板上覆盖一层载玻片，压紧所述载玻片，从开口一端用注射器注入水凝胶单体溶液，进而交联聚合成胶。

本发明所提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法解决了上述两个技术问题：第一，胶原蛋白的价格远高于丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)。由于胶原蛋白价格高，不易储存的特点，在很多条件下不必达到十分充分的仿生条件，可以使用丙烯酰胺为单体制备聚丙烯酰胺水凝胶替代胶原蛋白水凝胶，降低制备成本。其中使用PEGDA光交联的方法制备水凝胶速度快，节约制备时间。第二，制备PDMS微流体通道的条件要求较高，在制备百微米通道的需要条件下，可以使用比较快捷、便宜的方法制备微流体通道。使用金手指胶带制作微流体通道方便，制备时间较短，制备的金手指胶带通道和水凝胶通道可以重复使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法的示意流程图。

图2是本发明另一实施例提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法的示意流程图。

图3是图2中的具有微流体通道的水凝胶的制备过程示意图。

具体实施例

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法的示意流程图。如图1所示，本发明所提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法包括以下步骤：

步骤S102：在基板上放置目标图案的硅基微结构膜，将聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物和固化剂按照10:1的质量比混合均匀，并且将溶液倒在所述基板上，在100℃下固化1小时取出后室温冷却，待冷却后将硅基与PDMS模板分开，得到目标图案的PDMS微流体通道模板。

具体地，步骤S102包括：在真空干燥箱的卡盘基板上放置目标结构的硅基微结构膜，将PDMS预聚物和固化剂按照10:1的质量比混合均匀，因为搅拌时会产生大量气泡，所以必须先置于真空干燥箱中抽真空，以去除溶液中的气泡。待溶液中的气泡完全去除后，将其倒在通过真空卡盘固定的基板上。在100℃下固化1小时，取出后室温冷却，待冷却后将硅基与PDMS模板分开，得到目标图案的PDMS微流体通道。在通道两端打两个孔，直径约为5mm，用于灌注液的流入和流出，便于重复使用。可在PBMS模板的两个孔上连接一段PE-50聚乙烯细管，以便重复使用。

步骤S104：将步骤S102中的所述PDMS微流体通道模板键合在载玻片上，制备明胶水凝胶牺牲模板。具体地，首先，使用45℃的10×PBS溶液和去离子水配制10w/v％明胶溶液(A型，来源于猪皮)，降温至4℃或置于2～7℃的冰箱中，放置15分钟以上成胶。将材料加热至23～25℃静置0.5～2小时，在1％BSA溶液中脱模。

步骤S106：制备聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。

具体地，步骤S106包括：将0.5g丙烯酰胺(AM)溶解在4mL PBS溶液中，加入1mL N,N’-亚甲基双丙烯酰胺水溶液(MBA,0.25mg/mL)和1.5mg过硫酸铵(KPS)。使用氮气脱气，加入10μL N,N,N',N'-四甲基乙二胺(TEMED)，取下PDMS模板，浇注该单体溶液或将单体溶液注入模板中，密封，在室温下保持20小时成胶。将其加热至37℃融化明胶水凝胶，用PBS溶液冲洗干净，得到PAM水凝胶微流体通道。

在一个实施例中，步骤S106还包括：除了使用聚丙烯酰胺水凝胶，还采用紫外光交联的聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶。具体地，配制20～30w/v％PEGDA的PBS溶液，对应每克PEGDA加入30μL引发剂，混合均匀，浇注该单体溶液或将单体溶液注入模板中，使用紫外灯管(例如，365nm飞利浦8W紫外灯管)在1厘米处照射1分钟，得到PEGDA水凝胶，加热至37℃融化明胶水凝胶，用PBS溶液冲洗干净，得到具有目标图案的微流体通道的PAM水凝胶。

图2是本发明另一实施例提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法的示意流程图。结合图1来理解图2，除了图2中的步骤S202代替图1中的步骤S102，其余步骤类似。为简洁起见，重复之处不另赘述。

图2中的步骤S202为：采用金手指胶带得到多层胶带模板，在多层金手指胶带上刻出目标微流体通道的图案，结合打孔器制备PDMS微流体通道模板。其过程可见图3所示，从上至下依次示意金手指胶带模板制作过程和制作的金手指胶带模板光镜照片(图中比例尺为100μm)。

具体地，步骤S202中的微流体通道宽度为130μm，打孔后将金手指胶带撕下，平整地贴在载玻片上，裁出直线形状的微通道，通道高度由金手指胶带的层数决定，每层胶带的厚度为50～60μm，其宽度可使用光学显微镜进行观察，厚度可以使用3D显微镜进行观察。在其上覆盖一层载玻片，压紧，从开口一端用注射器注入水凝胶单体溶液，进而交联聚合成胶。

本发明所提供的具有微流体通道的水凝胶的制备方法解决了两个技术问题：第一，胶原蛋白的价格远高于丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)。由于胶原蛋白价格高，不易储存的特点，在很多条件下不必达到十分充分的仿生条件，可以使用丙烯酰胺为单体制备聚丙烯酰胺水凝胶替代胶原蛋白水凝胶，降低制备成本。其中使用PEGDA光交联的方法制备水凝胶速度快，节约制备时间。第二，制备PDMS微流体通道的条件要求较高，在制备百微米通道的需要条件下，可以使用比较快捷、便宜的方法制备微流体通道。使用金手指胶带制作微流体通道方便，制备时间较短，制备的金手指胶带通道和水凝胶通道可以重复使用。

有利地，本发明节约了水凝胶制备原料的成本，原料AM和PEGDA的售价远低于胶原蛋白，其余反应用料较少，价格低廉，反应温和、安全。此外，PEGDA水凝胶制备方案大大缩短了水凝胶合成的时间，提高了工艺效率。PEGDA水凝胶合成只需要1分钟，而使用胶原蛋白水凝胶需1小时。制作百微米微流体通道时，可以极大地节约PDMS微流体通道的制备成本。使用的仪器更简单，实验条件要求较少。比如使用金手指胶带制作水凝胶微流体通道时，不需要化学反应和真空设备等，节约能源。

以上所揭露的仅为本发明实施例中的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。